汽車應(yīng)急啟動電源電池鼓包，汽車應(yīng)急電源鼓包原因分析
來源：www.himytea.cn
作者：昂佳科技
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次發(fā)表時間：2019-04-15 17:45:55
汽車應(yīng)急啟動電源，大家應(yīng)該都不陌生吧，還有很多老司機(jī)也稱之為汽車啟動寶。汽車應(yīng)急啟動電源工作原理也十分簡單，就是在關(guān)鍵時刻，尤其是當(dāng)下冬季低溫環(huán)境下，能夠為拋錨的汽車應(yīng)急啟動。但是隨著使用時間的延長，汽車應(yīng)急啟動電源存在鼓包、循環(huán)衰減加快的問題也日益嚴(yán)重。這是因為在汽車應(yīng)急電源內(nèi)部，使用了鋰離子電池，鋰離子電池具有高壽命、容量高等特點被廣泛推廣使用，不過隨著使用時間延長，其存在鼓脹、安全性能不理想和循環(huán)衰減加快的問題也日益嚴(yán)重，引起了鋰電界深度的分析和抑制研究。
一般我們將汽車應(yīng)急啟動電源鼓包的原因分為兩類：一是內(nèi)置鋰電池極片的厚度變化導(dǎo)致的鼓包；二是由于電解液氧化分解產(chǎn)氣導(dǎo)致的鼓包。在不同的電池體系中，電池厚度變化的主導(dǎo)因素不同，如在鈦酸鋰負(fù)極體系電池中，鼓包的主要因素是氣鼓；在石墨負(fù)極體系中，極片厚度和產(chǎn)氣對電池的鼓包均起到促進(jìn)作用。
一、鋰電池電極極片厚度變化
在鋰電池使用過程中，電極極片厚度會發(fā)生一定的厚度變化，尤其是石墨負(fù)極。據(jù)數(shù)據(jù)顯示，鋰電池經(jīng)過高溫存儲和循環(huán)，容易發(fā)生鼓脹，厚度增長率約6%~20%，其中正極膨脹率僅為4%，負(fù)極膨脹率在20%以上。
鋰電池極片厚度變大導(dǎo)致的鼓脹根本原因是受石墨的本質(zhì)影響，負(fù)極石墨在嵌鋰時形成LiCx（LiC24、LiC12和LiC6等），晶格間距變化，導(dǎo)致形成微觀內(nèi)應(yīng)力，使負(fù)極產(chǎn)生膨脹。下圖是石墨負(fù)極極片在放置、充放電過程中的結(jié)構(gòu)變化示意圖。
石墨負(fù)極的膨脹主要是嵌鋰后產(chǎn)生不可恢復(fù)膨脹導(dǎo)致的。這部分膨脹主要與顆粒尺寸、粘接劑劑及極片的結(jié)構(gòu)有關(guān)。
負(fù)極的膨脹造成卷芯變形，使電極與隔膜間形成空洞，負(fù)極顆粒形成微裂紋，固體電解質(zhì)相界面(SEI)膜發(fā)生破裂與重組，消耗電解液，使循環(huán)性能變差。影響負(fù)極極片變厚的因素有很多，粘接劑的性質(zhì)和極片的結(jié)構(gòu)參數(shù)是最重要的兩個。
石墨負(fù)極常用的粘接劑是SBR，不同的粘接劑彈性模量、機(jī)械強(qiáng)度不同，對極片的厚度影響也不同。極片涂布完成后的軋制力也影響負(fù)極極片在電池使用中的厚度。在相同的應(yīng)力下，粘接劑彈性模量越大，極片物理擱置反彈越小；充電時，由于Li+嵌入，使石墨晶格膨脹；
同時，因負(fù)極顆粒及SBR的形變，內(nèi)應(yīng)力完全釋放，使負(fù)極膨脹率急劇升高，SBR處于塑性變形階段。這部分膨脹率與SBR的彈性模量和斷裂強(qiáng)度有關(guān)，導(dǎo)致SBR的彈性模量和斷裂強(qiáng)度越大，造成不可逆的膨脹越小。
當(dāng)SBR的添加量不一致時，極片輥壓時受到的壓力就不同，壓力不同使極片產(chǎn)生的殘余應(yīng)力存在一定差別，壓力越大殘余應(yīng)力越大，導(dǎo)致前期物理擱置膨脹、滿電態(tài)及空電態(tài)膨脹率增大；SBR含量越少，輥壓時所受壓力越小，前期的物理擱置、滿電態(tài)和空電態(tài)的膨脹率就越小；負(fù)極膨脹使得卷芯變形，影響負(fù)極嵌鋰程度和Li+擴(kuò)散速率，進(jìn)而對電池循環(huán)性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響。
二、鋰電池內(nèi)部產(chǎn)氣引起的鼓包
鋰離子電池內(nèi)部產(chǎn)氣是導(dǎo)致汽車應(yīng)急啟動電源鼓包的另一重要原因，無論是電池在常溫循環(huán)、高溫循環(huán)、高溫擱置時，其均會有不同程度的鼓脹產(chǎn)氣。據(jù)目前研究結(jié)果顯示，引起電芯脹氣的本質(zhì)是電解液發(fā)生分解所致。
電解液分解有兩種情況，一個是電解液有雜質(zhì)，比如水分和金屬雜質(zhì)使電解液分解產(chǎn)氣，另一個是電解液的電化學(xué)窗口太低，造成了充電過程中的分解，電解液中的EC、DEC等溶劑在得到電子后，均會產(chǎn)生自由基，自由基反應(yīng)的直接后果就是產(chǎn)生低沸點的烴類、酯類、醚類和CO2等。
在鋰電池組裝完成后，預(yù)化成過程中會產(chǎn)生少量氣體，這些氣體是不可避免的，也是所謂的電芯不可逆容量損失來源。在首次充放電過程中，電子由外電路到達(dá)負(fù)極后會與負(fù)極表面的電解液發(fā)生氧化還原反應(yīng)，生成氣體。在此過程中，在石墨負(fù)極表面形成SEI，隨著SEI厚度增加，電子無法穿透抑制了電解液的持續(xù)氧化分解。
在電池使用過程中，內(nèi)部產(chǎn)氣量會逐漸增多，其原因還是因為電解液中存在雜質(zhì)或電池內(nèi)水分超標(biāo)導(dǎo)致的。電解液存在雜質(zhì)需要認(rèn)真排除，水分控制不嚴(yán)可能是電解液本身、電池封裝不嚴(yán)引進(jìn)水分、角位破損引起的，另外電池的過充過放濫用、內(nèi)部短路等也會加速電池的產(chǎn)氣速度，造成電池失效。
在不同體系中，電池鼓包程度不同。在石墨負(fù)極體系電池中，產(chǎn)氣鼓包的原因主要還是如上所述的SEI膜生成、電芯內(nèi)水分超標(biāo)、化成流程異常、封裝不良等，而在鈦酸鋰負(fù)極體系中，電池脹氣比石墨/NCM電池體系要嚴(yán)重的多，除了電解液中雜質(zhì)、水分及工藝外，其另一不同于石墨負(fù)極的原因是鈦酸鋰無法像石墨負(fù)極體系電池一樣，在其表面形成SEI膜，抑制其與電解液的反應(yīng)。
當(dāng)把鈦酸鋰單獨浸泡于電解液中時，只有CO2產(chǎn)生，其與NCM材料制備成電池后，產(chǎn)生的氣體包括H2、CO2、CO以及少量氣態(tài)碳?xì)浠衔铮⑶易鞒呻姵睾螅挥性谘h(huán)充放電時，才會產(chǎn)生H2，同時產(chǎn)生的氣體中，H2的含量超過50%。這表明在充放電過程中將產(chǎn)生H2和CO氣體。
汽車應(yīng)急啟動電源鼓包解決
目前汽車應(yīng)急啟動電源鼓包的解決方案主要有三種，第一、LTO負(fù)極材料的加工改性，包括改進(jìn)制備方法和表面改性等；第二、開發(fā)與LTO負(fù)極相匹配的電解液，包括添加劑、溶劑體系；第三、提高電池的工藝技術(shù)。只要掌握了以上方法，汽車應(yīng)急啟動電源鼓包幾率會有所降低。
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